海底地震儀三維布設導航定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

任東旭 于雙和

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海底地震儀三維布設導航定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

任東旭 于雙和

大連海事大學，遼寧 大連 116026

針對傳統(tǒng)導航定位設備采用串口通信導致的連接、傳輸和管理問題，圍繞海底地震儀布設的實時通信需求，提出了一種基于多串口聯(lián)網(wǎng)的多路設備（GPS，OBS，測試儀，羅經(jīng)儀等）實時通信方案。

海底地震儀；TCP/IP；串口聯(lián)網(wǎng)

BS (Ocean Bottom Seismometer，海底地震儀)是放置在海底的地震測量系統(tǒng)，用于海洋人工地震和天然地震的觀測[1]。OBS探測是利用多個布設在海底的地震儀，接收并記錄天然地震和人工地震所產(chǎn)生的地震波，經(jīng)層析成像得出海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，是近十多年來發(fā)展應用的一項較新的海洋勘探技術(shù)，已在天然地震、海底深部構(gòu)造研究和海洋油氣、海底天然氣水合物調(diào)查中得到了廣泛應用[1]。

1 OBS三維布設導航定位系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信

OBS三維布設導航定位系統(tǒng)是專用于輔助OBS精確投放和定位的綜合化導航信息系統(tǒng)，以三維海底地圖可視化顯示系統(tǒng)為基礎(chǔ)，包含設備管理、測網(wǎng)與站位管理、OBS狀態(tài)管理、OBS定位成果管理等內(nèi)容。，系統(tǒng)總體框架如圖1所示[2]。

2 數(shù)據(jù)通信設計

2.1 方案設計

為了實現(xiàn)多串口和以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，需要設計一個聯(lián)網(wǎng)設備，該設備包含若干個RS232串口和一個以太網(wǎng)接口。首先，將每個RS232串口分別與DGPS接收機、OBS、測深儀、羅經(jīng)儀等設備進行連接，其次，將該聯(lián)網(wǎng)設備接入局域網(wǎng)，然后，同一局域網(wǎng)的所有用戶計算機只需要通過客戶端軟件基于TCP/IP 協(xié)議[5]與遠端服務器建立連接，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，所有的串口數(shù)據(jù)流都將轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。此外，該通信協(xié)議還允許雙向通信，聯(lián)網(wǎng)設備也會將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流裝換為串口數(shù)據(jù)流，即通過客戶端軟件也可以對遠端聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)送命令參數(shù)，以此獲取每一個串口的狀態(tài)信息，并對其進行設置、開啟和關(guān)閉等操作[3]。

2.2 硬件設計

串口聯(lián)網(wǎng)設備本質(zhì)上是一個內(nèi)嵌的多串口網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)基于TCP/IP 協(xié)議，主要由TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和多串口數(shù)據(jù)處理模塊組成。TCP/IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是將以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)的串口幀封裝在UDP 包中，傳給IP 層，并接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀向上層層解包，分離應用層數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)的解析處理交由多串口發(fā)送模塊完成，實現(xiàn)RS232/RS485串口流與以太網(wǎng)端口流的透明轉(zhuǎn)換。串口數(shù)據(jù)處理模塊是一個多串口（RS232/RS485）數(shù)據(jù)流的收/發(fā)控制模塊，主要是接收多個串口的設備數(shù)據(jù)（如GPS、OBS、羅經(jīng)儀等），并將所有數(shù)據(jù)封裝寫入以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)打包傳輸。內(nèi)嵌多串口網(wǎng)關(guān)使用的是ARM處理器，在其上運行的是Linux 操作系統(tǒng)[4]。

2.3 軟件設計

客戶端的OBS三維布設導航定位軟件系統(tǒng)中，包含了一個設備管理模塊。該模塊根據(jù)TCP通信原理和多線程技術(shù)，進行socket網(wǎng)絡通信程序設計，通過指定的IP和端口與服務器建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。此外，為了便于數(shù)據(jù)解析，在客戶端的設備管理模塊需要建立多個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，主要包括用于存放以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的主緩沖區(qū)和對應每一個串口的設備緩沖區(qū)。將接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解析后，一方面通知測試窗口，將每個串口的源數(shù)據(jù)分別顯示在對應的文本框中以供查看和判斷數(shù)據(jù)接受是否正常；另一方面放入對應設備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，以供其設備對象在另一線程進一步解析，并將解析的最終結(jié)果封裝在一個結(jié)構(gòu)體中，傳遞給OBS三維布設導航定位系統(tǒng)各個功能模塊，如視圖顯示模塊[5]。

2.4 通信協(xié)議設計

TCP/IP 協(xié)議由應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和鏈路層組成。為了實現(xiàn)透明傳輸，增加應用進程協(xié)議層—串口層。串口層由串口鏈路層和串口網(wǎng)絡層構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)在串口層構(gòu)建，同時解析RS232 數(shù)據(jù)包，并作為TCP/IP網(wǎng)絡應用層的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

主控計算機與串口聯(lián)網(wǎng)設備基于TCP/IP協(xié)議進行通信時，雖然可以通過Socket網(wǎng)絡編程獲取對方的數(shù)據(jù)流，但是由于不知道數(shù)據(jù)的具體語義，所以無法將數(shù)據(jù)正確解析。為了能夠?qū)囊蕴W(wǎng)端口獲取的數(shù)據(jù)流進行解析，需要設計一個通信協(xié)議，該協(xié)議包含消息收發(fā)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型，通過該協(xié)議主控計算機可以將每個串口設備的數(shù)據(jù)分離出來，并且可以向串口聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)送控制信息，例如控制串口開關(guān)、修改波特率等，還可以獲取相應的響應信息。協(xié)議中的消息是用ASCII表示的字符串string和整型int兩種基本數(shù)據(jù)類型表示的。消息結(jié)構(gòu)包括消息頭和消息體，消息頭是消息內(nèi)容的標識，消息體是具體的消息內(nèi)容。

2.5 數(shù)據(jù)解析

從以太網(wǎng)端口獲取到的原始數(shù)據(jù)流，需要經(jīng)過兩步解析，才能得到經(jīng)度、緯度、方位、深度等具體的導航定位信息，并封裝傳送給視圖更新顯示和計算。通過設置每一個串口的設備類型，即相應的設備解析驅(qū)動，為每一個串口建立一個工作者線程和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，經(jīng)過兩步解析，將原始的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流無損、實時、高效的轉(zhuǎn)換為具體可用于計算的導航定位數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本文以OBS三維布設為背景，結(jié)合當前勘探船的設備使用現(xiàn)狀，利用計算機網(wǎng)絡、軟件和硬件技術(shù)，為多路導航設備的實時數(shù)據(jù)通信提供了一整套基于多串口聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信解決方案，并介紹了已構(gòu)建的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的主要功能。本文提出的解決方案能夠為OBS三維布設導航定位系統(tǒng)各個功能模塊提供準確、穩(wěn)定、可靠的實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足實時性要求，極大方便了多種串口設備的遠程控制和統(tǒng)一管理[7]。

[1]張志剛，伍人暾，曾憲軍.海底地震儀水下投放裝置的設計[J].海洋技術(shù)，2011，30(2)：103-106.

[2]齊君，趙鐵虎，劉俊.短周期OBS探測及其在南黃海地震勘探中的應用前景[C].中國地球物理，2011，26：942-943.

[3]鄭貴洲,任東宇,晉俊嶺,等.OBS布設導航定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪通報,2013(09):39-42.

[4]鄭貴洲,晉俊嶺,任東宇.面向OBS布設與定位回收的船舶導航系統(tǒng)研究[J].海洋技術(shù)學報,2013,32(3):87-91.

[5]胡家賦,徐華寧,丘學林,等.精密槍控計時器設計及在海底數(shù)據(jù)采集中的應用[J].熱帶海洋學報,2012(03):97-102.

[6]劉麗華,呂川川,郝天珧,等.海底地震儀數(shù)據(jù)處理方法及其在海洋油氣資源探測中的發(fā)展趨勢[J].地球物理學進展,2012,27(06):2673-2684.

[7]郝小柱,伍忠良,王巍偉,等.海底地震儀精密計時器的研制與應用[J].氣象水文海洋儀器,2013,30(2):9-13.

DataCommunication OBS Three-Dimensional Layout of Navigation and Positioning System

Ren Dongxu Yu Shuanghe

Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning Dalian 116026

According to the connection, transmission and management problems caused by serial communication with traditional navigation and positioning equipment, around real-time communication needs of OBS emplaced, it proposed a real-time communication scheme with multi-port network based on multi-channel devices (DGPS, OBS, compasser and echo sounding, etc.).

OBS;TCP/IP;serial ports networking

P715

A

1009-6434(2016)07-0191-02

“中央高校基本科研業(yè)務費專項資金”資助。